用于空間應(yīng)用的電機控制器

Microchip Technology 宣布推出屬于其空間系統(tǒng)管理器 (SSM) 產(chǎn)品系列的抗輻射混合信號電機控制器。在太空任務(wù)中，空間和重量總是具有挑戰(zhàn)性。借助這款新產(chǎn)品，Microchip 通過提供新的 LX7720 控制器來增強其產(chǎn)品組合。新型 LX7720 為多軸指向機構(gòu)和光學(xué)元件的精確運動控制提供機器人控制解決方案。它減少了外部組件的數(shù)量，減少了對空間環(huán)境有害的電勢。同時，BOM 的減少也減輕了設(shè)備的重量，這在太空任務(wù)中一直是個問題。LX7720 提供四個半橋 N 通道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 驅(qū)動器、四個浮動差分電流傳感器、

空間環(huán)境

太陽風(fēng)、宇宙射線和范艾倫的波段對電子電路進行了測試。這些輻射主要由電子、質(zhì)子、中微子、正電子、光子等具有電離能力的粒子組成，能夠破壞原子間的共價鍵。

由于電離，場效應(yīng)晶體管（例如 MOSFET）和雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 都會在晶體管中發(fā)生損壞。在 MOSFET 的情況下，電離是由影響二氧化硅（絕緣層）的帶電粒子引起的；它通過將電子-空穴對引導(dǎo)到氧化物-硅界面來誘導(dǎo)電子-空穴對的斷裂，在那里它會產(chǎn)生“陷阱”狀態(tài)，從而減少有效載流子的數(shù)量，從而降低晶體管的閾值電壓。相反，在 BJT 中，這些粒子會增加基極電流，因此會降低整體增益。

每個單粒子效應(yīng) (SEE) 背后的機制包括粒子通過后設(shè)備敏感區(qū)域中的電荷積累。一列直徑從幾百納米到幾微米的電子-空穴對通過半導(dǎo)體器件中的哥倫比亞相互作用沿路徑釋放。根據(jù)幾個因素，粒子可能會導(dǎo)致不可觀察的影響、微處理器電路操作的瞬態(tài)干擾、邏輯狀態(tài)的變化（SEU、SEL）或?qū)υO(shè)備或集成電路（SEGR、SEBO）的永久性損壞。

近年來，多種因素的變化共同降低了進入太空的成本。微型低地球軌道 (LEO) 衛(wèi)星為各種科學(xué)任務(wù)提供了有用的數(shù)據(jù)。

太空中的電子系統(tǒng)必須承受極端溫度和相關(guān)的熱循環(huán)，這會使集成電路及其封裝承受機械應(yīng)力。然而，與傳統(tǒng)的“太空定制”組件相比，新型太空塑料集成電路可以為較低高度的任務(wù)提供成本和尺寸優(yōu)勢。

運動控制

航天器依靠電動機來實現(xiàn)姿態(tài)控制、展開機制和超精細(xì)運動等重要功能。在這些應(yīng)用中，電動機必須在高真空、輻射和高工作溫度環(huán)境中具有較長的使用壽命和高可靠性。

可以使用永磁同步電機 (PMSM) 和微步進電機。步進電機不需要 PMSM 實現(xiàn)磁場定向或其他控制系統(tǒng)所需的計算密集型 PI 控制回路，但加速/減速和絕對扭矩性能較差。

在空間應(yīng)用中，需要最高級別的可靠性，因為除了某些工作條件外，衛(wèi)星發(fā)射后無法進行維修或重新校準(zhǔn)。通過對發(fā)動機進行數(shù)字控制，可以實施復(fù)雜的故障檢測算法，以優(yōu)化性能，從而優(yōu)化發(fā)動機的使用壽命。通過數(shù)字控制，可以最大限度地減少衛(wèi)星太陽能電池板產(chǎn)生的能量消耗或存儲在其電池中的能量。

Microchip 重點介紹了 LX7720 如何與高達 40 kHz PWM 的傳統(tǒng) NMOS 電機驅(qū)動晶體管和 12 位球場中的電機電流測量一起工作（使用 sigma-delta ADC，在延遲和精度之間存在直接的權(quán)衡）。隨著 FPGA 以越來越高的頻率運行（Microchip 的 RT PolarFire ? FPGA 的數(shù)學(xué)模塊運行頻率高達 450 MHz），頻率也隨之上升以提高精度。使用 GaN FET 作為功率晶體管，可以使用 GHz+ 時鐘實現(xiàn) 200 kHz+ 范圍內(nèi)的 PWM，以實現(xiàn) 12 位+ 精度。

航天器電子工程師喜歡在驅(qū)動端實施高側(cè)電流檢測電阻器并測量輸入/輸出每個繞組的雙向電流，這是一種低成本且緊湊的方法，在 180°C 溫度范圍內(nèi)運行時不會出現(xiàn)任何問題。這要求 LX7720 包含浮動差分放大器來測量感應(yīng)電壓，并且與無刷直流電機和步進電機同樣有效。其他電流感應(yīng)技術(shù)（例如感應(yīng)變壓器）也很好，因為您最終需要獲取電壓。

圖 1：帶有 LX7720 的典型電機驅(qū)動器系統(tǒng)（來源：Microchip）

衛(wèi)星和其他空間儀器系統(tǒng)包含許多用于發(fā)動機控制的應(yīng)用。這些應(yīng)用包括精確控制也用于科學(xué)研究的鏡子和透鏡的運動。通過旋轉(zhuǎn)和位置檢測，LX7720 為無刷直流電機 (BLDC)、永磁同步電機 (PMSM) 和其他最常用于太空的電機提供電機驅(qū)動器和線性執(zhí)行器的伺服控制。LX7720 已通過 MIL-PRF-38535 V 類和 Q 類認(rèn)證。LX7720 可提供高達 100 krad 的 TID（總電離劑量）和高達 50 krad 的最低單事件暴露率（ELDRS，增強型低劑量率敏感度）的輻射耐受性。

審核編輯：湯梓紅